Im Alltag angekommen: USB-C und USB-C Power Delivery für den Einsatz in Schienenfahrzeugen
Bahntechnikspezialist LÜTZE TRANSPORTATION bietet ein umfassendes Sortiment bahntauglicher USB-Ladelösungen für Schienenfahrzeuge. Nach der Einführung der ersten USB-C Lösungen sind nun USB-C Ladelösungen mit Power Delivery für den täglichen Einsatz in Schienenfahrzeugen verfügbar. In naher Zukunft werden USB-C Power Delivery Lösungen mit bis zu 240 Watt Leistung in Schienenfahrzeugen erhältlich sein. Damit könnten Schuko-Steckdosen im Passagierbereich und im Führerstand weitgehend überflüssig werden.
Vermehrte Nutzung von Mobilgeräten in Zügen.
Der Bedarf für manipulationssichere Ladeinfrastruktur wächst.
Mobilgeräte wie Handys und Tablets sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Entsprechend liegt die tägliche Nutzungsdauer von Smartphones in Deutschland im Durchschnitt bei etwa 2,5 Stunden. Auch bei Zugreisenden im Nah- und Fernverkehr nimmt die Nutzung von Mobilgeräten ständig zu. Ein Beleg für die wachsende Nutzung von Mobilgeräten auf Zügen ist die steigende WLAN-Nutzung in Fernzügen. Die Deutsche Bahn dokumentierte, dass 2018 monatlich etwa 30 Terabyte an Daten über das WLAN-Netzwerk in ICE-Zügen übertragen wurden, 2019 stieg dieses Datenvolumen auf etwa 50 Terabyte pro Monat an. Aber auch Zugführer und Zugbegleiter nutzen Tablet-PC und Laptop, um in Echtzeit auf Fahrpläne, Streckeninformationen und Notfallprotokolle zugreifen zu können.
Mit der zunehmenden Nutzung von Mobilgeräten im Zug steigt die Nachfrage nach entsprechenden Lademöglichkeiten. Seit den frühen 2000er Jahren hat die Deutsche Bahn Schuko-Steckdosen zum Laden von Mobilgeräten in ihren Zügen installiert. Allerdings traten mit der Einführung der Schuko-Steckdosen wiederholt Probleme durch Vandalismus auf: Steckdosen wurden manipuliert, was die Gesundheit ahnungsloser Reisender gefährdet. Auch die Überbeanspruchung durch gleichzeitiges Anschließen mehrerer oder leistungsstarker Geräte ist ein bekanntes Problem.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, setzen Schienenfahrzeug-Hersteller und Betreiber zunehmend auf USB-Ladeinfrastruktur im Passagierbereich. Seit etwa 2015 hat die Deutsche Bahn begonnen, USB-A-Dosen in ihren Zügen zu installieren.
Im Oktober 2022 verabschiedete die Europäische Union eine Richtlinie, die USB-C als Standardanschluss für viele elektronische Geräte vorschreibt und damit USB-A und andere USB-Stecker-Varianten ersetzen soll. Diese Vorgabe wird voraussichtlich dazu führen, dass die USB-C-Ladeinfrastruktur in europäischen Schienenfahrzeugen in naher Zukunft zum alleinigen Standard wird.
LÜTZE TRANSPORTATION bietet seit vielen Jahren unterschiedlichste Ladesysteme für Schienenfahrzeuge an. Neben den bewährten USB-A Varianten, mit und ohne Schuko-Steckdosen werden nun auch USB-C Varianten angeboten. Aufgrund der Nachfrage aus nicht-europäischen Regionen werden USB-A Varianten jedoch weiterhin geliefert. Alle Ladesysteme von LÜTZE TRANSPORTATION erfüllen die bahnrelevanten Normen EN 50155, EN 50121-3-2, EN 61373, EN 45545-2 sowie die Regelung Nr. EMV 06 des Eisenbahnbundesamts. Dank der EMV 06, welche die elektromagnetische Verträglichkeit mit Bahnfunkdiensten regelt, sind somit Nachrüstungen (Retrofits) durch den Betreiber möglich.
LÜTZE setzt auf USB-C für Schienenfahrzeuge
Anfang 2024 stellte LÜTZE erste Ladeeinheiten mit zwei USB-C-Ports vor, die sowohl für den Passagierbereich als auch im Führerstand eingesetzt werden können. Zusätzlich verfügen diese Ladeeinheiten über eine klassische Schuko-Steckdose (Typ F/CEE 7/3). Die kompakten Steckdosen eignen sich für den Einbau im Fahrgastbereich und Führerstand. USB-C bietet gegenüber USB-A deutlich bessere mechanische Lebensdauer mit bis zu 10.000 Steckzyklen und ist unabhängig von der Ausrichtung des Steckers.
Die 230 V Steckdosen mit zwei USB-C Ladeports bieten einen Ladestrom von je 1,5 A bei 15 W. Wird nur ein Port genutzt, steht ein Ladestrom von bis zu 3 A zur Verfügung. Die USB-C Ladeports verbrauchen im Stand-By-Modus weniger als 50 mW, wodurch die Bordnetze minimal belastet werden. Durch die dynamische Erkennung des Ladeprotokolls wird der Strombedarf des angeschlossenen Mobilgeräts erkannt und der Ladestrom entsprechend angepasst.
Leistungsstarke USB-C PD Ladeports für den Fahrgastbereich
Doch wie bereits geschildert sind Schuko-Steckdosen nicht manipulationssicher und zudem bieten die klassischen USB-C Ports zu wenig Leistung für z.B. leistungshungrige Laptops. Die reine USB-C Spezifikation ist auf 5 V und maximal 3 A (15 W) beschränkt.
LÜTZE TRANSPORTATION hat darum nun USB-C Ladelösungen mit PD (Power Delivery) im Programm. Mit USB PD können deutlich höhere Ladeleistungen erzielt werden. LÜTZE TRANSPORTATION bietet dazu USB-C Ladelösungen mit 3 A Leistung und bis zu 20 V und arbeitet an Next-Generation-Lösungen, die bis zu 5 A gemäß der USB Power Delivery 3.1 Spezifikation ermöglichen sollen.
Ein wichtiger Vorteil von Power Delivery ist der "Handshake", der die Kompatibilität zwischen Gerät und Ladegerät sicherstellt und optimale Spannung und Stromstärke aushandelt. Dies verhindert die Überlastung von Ladegerät und Akku.
Mit den neuen USB-C Ladeports für den Passagierbereich mit 65 Watt stellt LÜTZE TRANSPORTATION 100% bahntaugliche Ladesysteme vor und bietet Erstausrüstern und Bahnbetreibern die Möglichkeit, vollständig auf 230 V Schuko-Steckdosen in Fahrgasträumen zu verzichten. Die LÜTZE USB-C Dose liefert 65 W Ausgangsleistung bei 5 bis 20 V und bis zu 3,25 A, ausreichend für leistungsstarke Laptops und Tablets. Mit einer Energieeffizienz von über 80% und einem Standby-Verbrauch von unter 50 mW wird das Bordnetz minimal belastet. Der Dauerbetrieb ist bei Temperaturen von -25 bis +55 °C möglich, mit einer Lebensdauer von 20.000 Betriebsstunden bei Volllast.
Mit Abmessungen von 40 x 42 mm und einer Bautiefe von 40 mm ist das System deutlich kompakter und platzsparender als herkömmliche Schuko-Steckdoseneinheiten. Dadurch eignet es sich ideal für den Einbau zwischen Sitzen oder in die Bordwand.
Bei der Entwicklung der neuen USB-C Dosen wurde besonderen Wert auf Sicherheit gelegt. Das System ist vollständig manipulationssicher. Die passagierseitige Frontabdeckung ist von der Frontseite eingeklickt und muss von der Rückseite gelöst werden. Außerdem ist sie nicht verschraubt, wodurch die USB-Dose passagierseitig nicht entfernt werden kann. Das USB-System arbeitet eingangsseitig mit AC 230 V und liefert ausgangsseitig max. 20 V. Dadurch besteht für Passagiere keinerlei Gefahr eines Stromschlags.
USB-C Power Delivery Ladesystem für den Führerstand
Auch im Führerstand ist die Nachfrage nach leistungsfähigeren USB-Ladesystemen hoch. LÜTZE TRANSPORTATION liefert hierfür das 60 W Power Delivery Ladesystem mit dem DC/DC-Wandler und einem Eingangsspannungsbereich von DC 24 -110 V als Weitspannungsversorgung inklusive zwei Meter Ladekabel und USB-C Port. Das USB-C Ladesystem bietet damit eine deutliche Leistungssteigerung gegenüber dem bewährten USB-Ladesystem mit zwei USB-A Ports. So können auch leistungsintensive Laptops und Tablets effizient genutzt werden, um Fahrdaten wie Streckentabellen, Fahrpläne und Langsamfahrstellen bequem zu aktualisieren.
Ein wesentlicher Vorteil ist die Kompatibilität der Abmessungen von DC/DC-Wandler und Ladekabel mit dem bestehenden USB-A System. Betreiber können problemlos auf das neue USB-C System upgraden, indem sie einfach den Konverter austauschen, ohne die Verdrahtung auf der Eingangsseite zu ändern. Es ist kein zusätzlicher Einbauraum erforderlich, und das Ladekabel kann 1:1 ersetzt werden. Die Montage des Wandlers erfolgt auf der Hutschiene TS35-15 oder TS35-7,5 (EN 60715).
Dank des Weitspannungseingangs von DC 24 V bis 110 V ist der DC/DC-Wandler sowohl in Diesel- als auch Elektrofahrzeugen einsetzbar. Der Ausgang liefert 3 A bei DC 5 bis 20 V. Das neue USB-C System eignet sich für den Einbau im Führerstand oder in kleinen Schaltschränken.
Das USB-C Ladesystem ist für den Dauerbetrieb im Temperaturbereich von -40 ° bis +70 °C ausgelegt. Der DC/DC-Wandler verfügt über einen Verpolungsschutz auf der Eingangsseite. Auf der Ausgangsseite bietet er Kurzschluss- und Überlastschutz. Die Ausgangsspannung wird durch eine separate grüne LED angezeigt. Das Ladekabel hat eine Länge von zwei Metern. Ein ausreichender Leitungsquerschnitt sorgt für einen geringen Spannungsabfall.
Hintergrundwissen USB-C
Wesentliche Vorgaben und Ziele der USB-C EU-Vorgabe sind:
- Bis Ende 2024 müssen alle kleinen und mittelgroßen tragbaren Geräte mit USB-C ausgestattet sein, darunter Smartphones, Tablets, E-Reader, Kameras, Kopfhörer, Lautsprecher und Handheld-Konsolen.
- Ab Frühjahr 2026 müssen auch Laptops USB-C-Ladeanschlüsse haben.
- Geräte mit Schnellladefunktion müssen unabhängig vom Ladegerät dieselbe Ladegeschwindigkeit bieten.
- Die Richtlinie soll die Menge an Elektroschrott verringern, indem verschiedene Ladegeräte und Kabeltypen eliminiert werden.
- Einheitliche Ladeanschlüsse sollen den Verbraucherschutz und -komfort erhöhen, da weniger verschiedene Ladegeräte und -kabel benötigt werden.
Hintergrundwissen USB PD Power Delivery
- USB Power Delivery 1.0 wurde im Juli 2012 eingeführt. Es ermöglicht eine Stromübertragung von bis zu 100 Watt (20 V, 5 A)
- USB Power Delivery 2.0 wurde im August 2014 veröffentlicht. Diese Version führte Verbesserungen in der Kommunikation zwischen Geräten ein. USB PD 2.0 war die Grundlage für die Einführung von USB-C
- USB Power Delivery 3.0 wurde im September 2015 veröffentlicht. Diese Version brachte die Möglichkeit, den Ladezustand zu überwachen, sowie verbesserte Protokolle für die Energieverwaltung.
- Im Jahr 2017 wurde die USB PD 3.0 Spezifikation um die Funktionalität „Programmable Power Supply“ (PPS) erweitert, die eine dynamische Anpassung der Spannung und Stromstärke ermöglicht, was insbesondere bei Schnellladeverfahren von Vorteil ist.
- Die USB PD Revision 3.0, Version 1.1 aus dem Jahr 2019 brachte zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen und optimierte die Kommunikationsprotokolle weiter
- Die neueste Spezifikation, USB Power Delivery 3.1, wurde im Mai 2021 veröffentlicht. Diese Version erhöhte die maximale Leistung auf 240 W (48 V bei 5 A)
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Autoren: Andreas Schindler und Yima Zimmermann, Produktmanager bei der Lütze Transportation GmbH, Weinstadt
Quellen:
www.bitkom.org/Presse/Presseinformation/Durchschnittliche-Smartphone-Nutzung-pro-Tag
www.br.de/nachrichten/bayern/stromschlaggefahr-warnung-vor-manipulierten-steckdosen-in-zuegen,Tna2oAD
www.zdf.de/nachrichten/panorama/kriminalitaet/bahn-steckdose-manipulation-bundespolizei-warnung-100.html
ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_21_4613